草莓全程生产机械化技术与装备研究进展

刘继展 吴 硕

(江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室，镇江 212013)

0 引言

草莓的生长环境适应性很强，在世界范围内，从热带到北极圈附近均可栽培种植。目前，已有100多个国家和地区种植草莓，在世界小浆果生产中草莓产量居于首位。中国作为世界草莓第一生产国，2018年草莓种植面积占世界的29.8%，而产量则占世界总产量的35.6%，总产值已超过600亿元[1-2]。

草莓生长周期长、生产管理环节众多，以鲜食为主。目前，草莓生产机械化水平总体偏低，对人工的依赖非常严重，实现草莓机械化生产已成为各国研究重点。草莓具有独特的植物学特征和栽培要求，且在全球不同国家和地区，其栽培模式、经营规模等也差异很大，因此其生产机械化技术与装备也各具特点。

本文在分析我国草莓种植技术现状的基础上，对我国和发达国家的草莓生产机械化技术与装备的研究进展进行概述，针对现有技术问题提出我国草莓生产机械化技术与装备的发展方向，以期为我国草莓产业的机械化、现代化发展提供参考。

1 草莓产业现状

1.1 草莓种植分布与规模

据联合国粮农组织数据，全球草莓的种植规模和产量呈不断增长状态，2018年全球草莓总种植面积达37.24万hm2，总产量达888.71万t，与1961年相比种植面积增长了2.96倍，产量则增长了10倍以上。

世界上最大的草莓产区分别为亚洲、欧洲和北美地区，草莓种植面积居前列的国家依次为中国、波兰、俄罗斯、美国、西班牙和日本，而产量最大的国家则依次为中国、美国、西班牙、俄罗斯、波兰和日本。其中中、美两国的总产量占世界产量的近1/2。单产水平美国最高，超过65 kg/m2，远远超过其他国家和世界平均水平。

我国草莓种植从20世纪80年代开始进入高速发展阶段，2018年我国草莓总种植面积和总产量分别达13万hm2和340万t，单产水平(26.67 kg/m2)亦高出世界平均水平(22.39 kg/m2)，但与美国、西班牙、日本等国相比仍有差距。

我国草莓种植规模和产量最大的省份包括山东省、江苏省、辽宁省、河北省、安徽省等(图1)。安徽省、江苏省、山东省的草莓种植规模最大，超过或接近1.8万hm2；山东省、江苏省、安徽省、河北省、辽宁省产量分别达到69、46、46、44、42万t(图2)。安徽省长丰、辽宁省东港、江苏省东海、江苏省句容、江苏省常州罗溪镇、浙江省奉化尚田镇、云南省永仁、上海市青浦赵屯镇、河南省中牟等已形成了全国主要的草莓种植基地[3]。

1.2 草莓种植模式

欧美和日韩的草莓生产具有不同特色。欧美普遍以露地垄栽草莓的大规模、产业化种植为主，而日本、韩国等东亚国家由于土地资源紧张和高端化、精品化种植策略，其草莓栽培主要以温室促成栽培为主。

中国地域辽阔，草莓栽培分布很广，种植模式多种多样，主要包含平地栽培、高垄栽培、高架栽培和其他立体栽培方式。20世纪80年代以前，我国草莓以露地栽培为主；20世纪90年代以后普遍采用小拱棚半促成栽培、普通大棚与日光温室促成栽培。

1.2.1平地栽培

平地栽培一般指平地畦栽与行栽，该种植模式下，草莓均匐地生长，果实与土壤接触，灌水或降雨后易积水，且光照不佳，易污染叶片或果实，果实易感灰霉病，果实着色较差，从而影响果实品质。同时弯腰或趴伏从事农事操作的强度过大、费事费力，因而便于田间管理，透气性和光照条件更好的高垄栽培已逐渐成为主流，更加省力化、减少连作障碍和清洁、高效的高架栽培正在快速发展。

1.2.2高垄栽培

高垄栽培是把栽培行做成一定高度的垄，作物种在垄上的一项栽培方式[4]。高垄栽培具有土壤保温性好、通风透气节水、便于田间管理、降低病害发生、提高果实产量和品质等优点。由于高垄栽培的水肥调控、草莓品质、经济等突出优势，在生产中得到了广泛运用，成为目前的草莓主流种植模式，面积达90%以上。

不同草莓品种都有相应的起垄规范(图3)，以宁玉草莓为例，标准的垄体规格为垄宽连沟为100 cm，垄高35 cm，垄面宽60 cm[5]。但在实际种植起垄过程中，农户会结合草莓品种和场地规格进行调整。根据镇江市左湖村草莓种植散户、江苏省农科院溧水草莓基地和金坛市一号农场等实地调研，其起垄规格存在一定差异，如图4所示。

1.2.3高架栽培

高架栽培是通过在温室大棚内建造具有一定高度和宽度的高架栽培床，将栽培基质均匀摊铺在栽培床内，草莓置于高架栽培床上进行栽培。该技术最先由日本研究推广，将草莓栽植管理高度提高到适宜人工作业的高度，以便于园艺操作，大大降低了劳动强度[6]。且离地高架立体基质栽培，有效地利用了温室空间和避免了土传病虫害的危害，草莓根系生长好，有益于草莓的增产、农民增收，符合未来草莓产业的发展趋势，已成为目前大力推广的省力化栽培技术[7]。

草莓高架栽培床主要由栽培架和栽培槽(栽培袋)组成，栽培架支撑在地面上，栽培槽固定安装在栽培架上，不同区域的草莓高架栽培技术规程略有不同。以安徽省为例，其栽培架高度要求为1.2 m左右，栽培架间距离不得小于0.8 m；栽培槽主要有两种形式：由塑料板压制而成的U型槽；由无纺布(或纱网)和黑色塑料膜(防渗膜)构成的W型或U型栽培槽，装好珍珠岩、蛭石、草炭等混合基质后，塑料膜和无纺布之间留5～10 cm空隙作为排水通道。栽培槽上口的宽度为20～40 cm[8-9]，如图5所示。

1.2.4其他种植模式

(1)A字架多层栽培是由支架和栽培槽组成，支架采用不锈钢、角钢等制作成“A”字形，两边脊上分别安装3层或4层半圆形PVC材质的栽培槽，每条栽培槽基质表面沿草莓植株近旁铺设滴灌带或配置营养液循环系统。该栽培模式结构紧凑，多层种植的土地利用率和产量较高(图6a)。

(2)H型架双层栽培是设立高架进行直立上下双层栽培的模式(图6b)，上层栽培槽距地面150 cm左右，下层栽培槽距地面85 cm左右，以双行栽培为主，可实现滴灌水肥一体化。该模式的优点是进一步提高了大棚空间利用率，有效提高产量。但是，其上层环境条件好，而下层的积温、光照强度均较弱，造成草莓生长弱、果实着色差、味道淡、产量低。因此，生产中多采用上层种植草莓、下层种植喜阴耐凉的食用菌等套种方式，食用菌呼吸代谢产生的二氧化碳可以供给草莓进行光合作用，而草莓的光合作用又为食用菌的生长补充了新鲜氧气，使温室内部形成气体内循环，两者互为补充，相得益彰，既减少了温室的放风时间，最大限度地利用太阳能和温室空间，又大大地提高了生产效率[10]。

(3)管道式栽培由若干根管道间隔排列组成蔬菜栽培管道(图6c)，管道上开设用于栽种的定植孔，通过根部水培或气雾培进行作物生产。多用PVC管材为管道，由于其建造成本不高、管理方便、并可搭建不同立体架型，使草莓的管道种植模式在各地不断涌现。

(4)立柱式栽培采用环保型塑料栽培钵，经立柱串连而成(图6d)，营养液从上端逐一渗入下一层，经液管回收循环利用。立柱上栽培钵可自由旋转，使草莓均匀采光。此种栽培模式可充分利用温室空间，显著提高单位面积的草莓产量。

1.3 草莓种植管理

草莓是典型的劳动密集型产业，设施促成栽培的草莓从9月秧苗定植到翌年5月采收完成，生长周期长达7～8个月，大量的管理操作和精细的处理程序使其产生较高的人工成本，从定植、植保、授粉、打叶到收获采摘作业环节众多(图7)。同时，高垄栽培需要大量劳动力在狭小垄沟内长时间弯腰或下蹲劳作，劳动强度极大。而高架和管道等无土栽培，尽管将人工从弯腰或下蹲作业中解脱出来，但由于栽培由地面向空中转移，各类常规地面土地耕整及植株管理作业机械均无法适用，种植管理更依赖于人工。

2 草莓种植机械化技术现状

欧美国家普遍以露地垄栽为主，其草莓生产作业装备，无论耕整、移栽、植保、授粉、收获、田间转运等，均以大型化为主。而中国、日本、韩国等东亚国家土地资源紧张，草莓生产以精益种植管理为主，各类生产作业装备以温室的小型化机器为主。不同地区和国家的草莓生产机械化具有明显的特色。

2.1 耕整与基质管理机械

2.1.1我国耕整与基质管理机械

目前在宽度6 m及以上的塑料大棚和日光温室中，微耕机或手扶式拖拉机加装耕整地机械的使用率较高，但现有耕整机械并非针对草莓研发，其开沟深度、起垄高度达不到草莓种植农艺要求，且开沟起垄稳定性差，需要人工完成沟垄整形[11]。董新民[12]开展了设施草莓起垄机的起垄刀具、起垄成型板的创新设计工作(图8)，通过在起垄刀与开沟刀之间添加螺旋刀，把开沟、起垄后的土往中间输送，增大开沟起垄的土量，同时辅以仿垄型的成型板，使垄的成型效果更好。市场也逐步出现了其他新型草莓起垄机，如YT8-K30型草莓开沟起垄精整机取得了良好的试验与示范效果[13]。

在草莓高垄栽培中，可在栽植前喷上除草剂和杀虫剂，再将垄面和垄沟覆盖上黑色薄膜，起到保水、保湿、促进根系发育、清洁防菌病等作用。我国已经有成熟的中大型机引铺膜机，机型有开沟铺膜机、开沟铺膜播种机、起垄铺膜机等，同时手扶式喷药铺膜机、小型铺膜机[14]也陆续出现，但适用于温室高垄草莓生产的专用小型铺膜机还未见相关报道。

草莓的高架无土栽培得到了快速发展，立体设施内基质连续多茬栽培易导致连作障碍，基质的定期更换或消毒是基质栽培中的重要管理环节。笔者针对高架无土栽培的基质摊填多环节、大强度作业，设计了集基质运送、箱内出料、双侧分料落料和均匀摊填为一体的高架栽培基质自动移动摊铺机和配套的基质自动挖料上料机(图9)，可实现高架自适应的双侧基质精量摊铺作业[15]。

由于传统化学消毒手段对人员和环境副作用大[16]，物理消毒受到了重视。常泽辉等[17]提出一种新型聚光回热式太阳能土壤灭虫除菌装置(图10a)，利用太阳能加热流动空气对栽培基质进行消毒，但存在受季节及天气等自然条件影响的问题。卓杰强等[18]研制了无土栽培基质蒸汽消毒机(图10b)，采用台式作业方式，基质装入消毒箱罐体，由燃油蒸汽发生器产生的120～200℃高温蒸汽对罐体内基质进行高温消毒处理，同时搅拌叶片对基质进行搅拌。试验表明消毒15 min的灭菌率达到99%。我国也开发了土壤火焰消毒机，配置9～12个燃烧器。经试验表明，其土壤病原菌、线虫及虫卵等杀灭率达85%以上[19]。王振跃等[20]研究发现，利用500 W微波发生器处理10 min对5 cm土层深度内的细菌和线虫杀灭效果最佳，杀灭率分别为74.15%和70.17%。薛晓莉等[21]通过微纳米曝气技术将臭氧与水高效混合成高浓度的臭氧水，从而达到对土壤杀菌消毒的目的，但还停留在实验室阶段。

2.1.2国外耕整与基质管理机械

起垄、覆膜是各类农田种植中应用广泛的机械设备，但草莓栽培要求起高度300 mm以上的高垄，对设备提出了特殊要求。美国Kennoco制造公司开发配套的系列草莓高垄耕整机械和高垄覆膜机械(图11)，可实现高垄紧实的塑形，垄体可使用多季。而日本PLUS Y’S 公司的手扶式草莓起垄机，仅108 kg，最大输出功率达到4.725 kW，结构紧凑，适合于设施草莓种植的高垄开筑。

国外土壤、基质消毒主要采用蒸汽消毒、火焰消毒、微波消毒、臭氧消毒等方式(图12)，Ferrari Costruzioni Meccaniche公司开发的综合蒸汽消毒机，蒸汽流量可达到120 kg/(m2·h)。德国MSD公司生产的moeschle系列蒸汽发生器可根据实际作业需要，将蒸汽流量控制在1.0～25.0 m3/h。意大利MINGOZZI集团旗下的Pirodiserbo公司开发了系列火焰土壤消毒装备，可在温室大棚作业，处理时间2 s以上即可达到土样24 h后无细菌生成的目标[22]。德国车荷恩赫农业机械公司研制的6 000 W微波灭虫犁，可消灭50 cm土层深度内的害虫[23]。TAKAYAMA等[24]开发了一种用于土壤消毒的臭氧生成系统，通过将臭氧注入到土壤中，减少土壤中的致病菌。

2.2 草莓秧苗移栽机械

2.2.1草莓秧苗的特点

草莓育苗是利用匍匐茎扦插得到幼苗，按照育苗生产环境，主要分为裸根苗、钵苗、穴盘苗。穴盘育苗可有效促进草莓苗的根系发育，提高草莓的栽培质量，其苗成活率高、大小一致、质量相等，规格已经趋于标准化，且成本适中，已经得到逐步推广[25]。由于扦插的匍匐茎植株较大，目前草莓育苗盘多采用32孔110 mm深的育苗盘育苗，4行8列，单穴孔为四棱锥台形，台上表面尺寸为60 mm×60 mm，下表面尺寸为20 mm×20 mm。

设施冬季促成栽培的草莓苗育苗期达到50～70 d，穴盘草莓苗坨和植株尺寸分别达到100 mm和200 mm以上，大大超出常规蔬菜苗(图13)。同时，农艺上要求草莓苗定植于高架或者高垄时需弓背朝外，以保证草莓在高架或者高垄两侧悬垂生长，从而满足光照、通风和收获等需要。因此，草莓秧苗移栽机械需要满足其超大苗坨和弓背向外特性的特殊要求。

2.2.2我国草莓秧苗移栽机械

我国移栽机研发发展很快，目前薯类、油菜、甜叶菊、烟草、甘蓝、西兰花、洋葱、番茄等各类秧苗半自动移栽机均已投入市场，但现有机型均无法解决草莓超大苗与弓背朝外的移栽问题[26]。许春林等[27]进行了全自动草莓钵苗移栽机的设计与试验，但所开发机型亦仅适用钵深为40 mm的草莓苗，且无法实现秧苗定向。

笔者团队针对草莓移栽的特殊要求进行了原理创新，分别与定向扦插育苗和“先栽后灌”的农艺改革相配合，先后研发了小型化高架[28]和高垄[29]草莓苗自主移栽机(图14)，突破超大苗坨定向移栽、高架/高垄自动导航、一插式自动换盘等技术，实现了高架双侧四行和高垄双行的无人驾驶草莓穴盘苗自主移栽作业，平均移栽成功率达到95%，移栽的株距、行距、行直线度均显著高于人工作业。

2.2.3国外草莓秧苗移栽机械

新西兰大学GUTIERREZ等[30]研发了一种针对草莓裸根苗的移栽机，但未考虑草莓苗的大苗移栽和弓背定向移栽的特殊性和挑战性。Kennoco等公司的机械式草莓苗移栽机(图15a)，主要解决田间移栽中大量苗盘的携带和有序输送，再由后部乘坐的多名劳动力手工取苗和完成在垄上的移栽。该移栽机需和高垄打孔机配合使用。

Driscolls公司、Plantel公司和Solex公司合作推出了加州首台草莓苗移栽机(图15b)，在意大利Checchi e Magli辣椒苗移栽机型的基础上改进而来，可跨3垄移栽，价格达12万美元。该移栽机作业需配19个人工，包括驾驶、苗盘搬运装载、12个投苗手和5个移栽检查人，可以替代100个人工的移栽作业[31]。

2.3 草莓植保机械

2.3.1草莓栽培的常见病虫害

设施草莓从生长到坐果结束一般需要260 d左右，其全阶段病虫害频繁发生，需要大量施药，特别在设施高温高湿环境下，存在加剧这种情况的风险[32]。草莓设施栽培常见的病虫害有白粉病、灰霉病、轮斑病、叶斑病、红蜘蛛、蚜虫和盲椿象等，其主要感染草莓叶和果[33-34]，需要在漫长的生长周期内进行频繁施药。

2.3.2草莓植株的特点

草莓植株叶柄上密生呈螺旋状排列的叶片，叶柄从根茎处先竖直生长，再向四周延伸生长形成匐匍茎，草莓植株之间连在一起，草莓三出复叶的叶宽且喜平生长，冠层浓密郁闭，上下层叠遮挡(图16)，施药难以打透、下层背面着药不佳，且高压、强风力易造成草莓花序的大量吹落，严重影响后期座果率。同时保证草莓植株的施药均匀性与花序无损性，并有效提高药液的利用率，成为草莓植保机械设计的核心问题。

2.3.3我国草莓植保机械

贾卫东等[35]设计了具有遥控/自适应行走双模态的智能温室喷雾机(图17a)，施药效果良好。李良等[36]融合变量施药技术设计了温室轨道施药机器人，提高了温室施药的效率和稳定性。但目前实际草莓生产中仍主要采用硫磺熏蒸“防抑”[37]结合背负式施药器、高压手推打药机等机具作业“治理”的方式，植保效果欠佳且人身安全、植株花序损伤问题突出。

臭氧可有效杀灭细菌病毒等微生物、有机化学合成物以及生命力较弱的昆虫及虫卵，但是对于密封大棚臭氧气体大量灌入作业成本过高而难以实施，而臭氧喷雾器的出现有效克服了这一缺点。采用水分子电解代替传统的电晕放电臭氧发生方式，臭氧功能水破坏害虫或细菌的粘膜和呼吸系统，可广泛应用于草莓、蔬菜等的病害防控(图17b)。目前由我国生产的这类装备销往南美、西欧和北美地区，在我国草莓种植中的应用推广则刚刚起步[38]。

笔者团队对辅助气流场中草莓叶片的运动特性及其对雾滴沉积的影响进行研究发现，适当施药风筒倾角、辅助气流速度下叶片的高频、高幅振动状态，会给直径较小雾滴带来良好的正反面均匀的沉积效果和冠层穿透性[39]。基于该机理，开发了遥控式小型侧倾雾化微风送施药机(图17c)[40]，喷筒位于两行草莓植株的中央上方，通过侧倾和微风助喷施，有效扰动叶片从而提高叶片背面着药率和上下层的喷施均匀性，同时避免对花蕊的可能损伤。试验表明该机可有效满足草莓植株的均匀施药需要，在风速6～8 m/s和喷筒侧倾角30°下施药效果最佳，且药液耗量仅为0.5 L/min。

2.3.4国外草莓植保机械

欧美地区是大田规模化草莓种植，通用性的大型喷杆喷雾施药机也适用于草莓的施药作业，但是垂直向下喷施的方式仍存在雾滴穿透性不佳，下层、背面难以有效着药问题[41](图18a)。为此，冠层侧向施药，即从草莓行的两侧进行喷施的方式得到了普及应用，改进的侧喷式喷杆喷雾施药机及类似结构相继应用于高垄及高架草莓的施药。康奈尔大学于2007年开发了包括5个喷头的弧形改进结构，沿草莓冠层的侧面和上部同时喷施，有效提高了3维冠层的穿透性和喷施均匀性[42](图18b)。此外，也陆续出现了各种侧向风送草莓施药机型(图18c、18d)。

挪威生命科学大学对拖拉机前装隧道式施药在有、无帘幕草莓植株冠层的雾滴飘移进行了比较[43-44]。美国佛罗里达大学应用压力施药器开展了草莓冠层结构、喷头类型和喷施量对雾滴穿透性影响的研究[45]。在美国加州，牵引式“bug-vac”真空吸虫机在草莓植保中得到应用(图19a)[46-47]。加州大学蒙特利县合作推广部试验了静电施药机的虫害防治效果，发现其效果优于传统施药机和真空吸虫机[48-49]。英国MiCRON公司则开发了Flexidome草莓施药机(图19b)，用于草莓的行间除草，其圆顶式旋转施药方式特别适合于在垄沟内施药而避免对柔嫩果实的损伤[50]。目前由于化学农药对人员和环境的副作用，生物防治剂替代普通杀虫剂研究工作也在逐渐受到重视[51]。

2.4 草莓授粉机械

2.4.1草莓授粉的特点

授粉是农作物结成果实的必经过程，草莓授粉具有一定的特殊性：草莓具有二歧聚伞花序以及雌雄同株两性花特征，雄蕊螺旋状排列在花托上，花期短，花粉少且难收集，不同级次花序的雄蕊与雌蕊的发育成熟情况也不同(图20)。不同的草莓品种会表现出亲和与不亲和两种相反的自交性，自交不亲和的草莓品种需要异花授粉，而即使自交亲和的草莓品种，其异花授粉所带来的杂交优势，也有助于草莓产量与质量的提高。

2.4.2我国草莓授粉机械

目前草莓实际生产中主要采用蜂群授粉方式，但设施冬季低温环境和施药环境下蜂群授粉会出现漏授乃至停授的现象，大大影响授粉效果[52]。常见的先收集花粉再鼓风喷粉或悬浊液的手段难以满足草莓花期短、花粉少且难收集的特征[53]。常见的“大风”漫授、机械振动授粉易损伤花序，也不适用于草莓具有二歧聚伞花序以及雌雄同株两性花特征，更未考虑草莓异花授粉的杂交优势[54-55]。目前市场上尚无草莓专用授粉机械。

胡佳羽等[56]提出了一种草莓人工授粉器方案，使用时先将花粉罩罩住草莓的花朵，利用转动的毛刷轻轻地抖动花朵，并形成微风，从而吹动花粉在花粉罩内飘动，完成人工授粉。笔者团队提出了一种机器人化的气力微仰温室草莓授粉方案，通过气力微仰的双行草莓错开吹送和自适应的着粉行先增湿、后加温吹粉，实现自动异花授粉移动作业[57]。吴燕等[58]提出了一种用于草莓设施栽培的无人机授粉方案，采用无人机飞行的静电采粉和裙摆状纤维丝组旋转授粉方式。但上述方案尚未形成相应装备。SHI等[59]在小型多旋翼无人机上加装导流板，将无人机的下旋气流引导向前方实现番茄的气力辅助授粉试验(图21)，进行了温室无人机授粉的探索，但对草莓的适应性有待验证，且无人机在设施环境下自主作业问题也有待解决。

2.4.3国外草莓授粉机械

目前，国外面向大田、果园的无人机一致性授粉已投入应用，同时围绕花序个体目标的精准授粉，以地面机器人和机器蜂两大方向展开研究。美国西维吉尼亚大学设计了一款末端多个棉头粉刷进行自花授粉的黑莓授粉机器人Bramble Bee(图22a)[60]。CHECHETKA等[61]仿照蜜蜂授粉原理，通过微型无人机与新型复合粉刷材料的结合，设计并完成了百合花的室内授粉试验(图22b)。但是POTTS等[62]从工作效率与经济性不佳，以及可能对自然生物多样性造成干扰等角度对机器蜂授粉提出了担忧，而地面授粉机器人也面临相同的问题。

目前针对草莓娇嫩的二歧聚散花序和异花授粉需要的专用授粉机械研究仍然偏少。京都大学提出了一种超声压力辐射式授粉机的技术方案(图23)，基于3D相机对草莓花进行识别和定位，由超声波振动花序完成授粉，并通过试验初步证实了其可行性[63-64]。

2.5 草莓采收机械

2.5.1草莓采收的特点

草莓莓果小叶大，冠层遮挡严重，且相比于其他水果更加娇嫩。草莓采收期长，且不同的栽培形式，其采收期差异很大，露地栽培在5月上旬至6月上旬；促成栽培为12月中下旬至翌年2月中旬；半促成栽培为3月上旬至4月下旬，且同一批次草莓的果序不同，其成熟期也不尽相同。这些都给草莓机械化采收造成困难。

采收是草莓种植生产中劳动力耗费最大的环节。特别是地面栽培，同时采后的装箱、田间搬运也有很多的工作量(图24)[65]。

2.5.2我国草莓采收机械

目前我国草莓的收获通常由人工提篮完成，或采后就地装入包装盒，进入销售环节。而机器人化的草莓采摘已成为当前的重点研究方向。谢志勇等[66]、张铁中等[67]分别基于彩色模型和神经网络提出了草莓快速识别分割算法。张凯良等[68]以高垄栽培模式下的草莓为研究对象，提出了基于机器视觉与激光发生器的草莓采摘位置定位方法。国家农业智能装备工程技术研究中心、中国农业大学、西北农林科技大学等主要针对高架草莓开展了采摘机器人整机系统的研究。国家农业智能装备工程技术研究中心的草莓采摘机器人样机，以剪叉升降机配置商用机械臂和剪刀式末端执行器，采用远近景组合视觉方式完成果实识别和定位(图25a)[69]；中国农业大学“采摘童1号”草莓采摘机器人样机，采用3直动直角坐标机械臂和夹剪一体式末端执行器进行细长果梗的夹持剪断(图25b)[70-72]；西北农林科技大学则利用多关节机械臂搭载近景相机和剪刀式末端执行器进行采摘(图25c)[73]。空间定位平均误差为4.82 mm，末端执行器对定位后的草莓进行采摘，成功率为95%，目前均处于实验室开发阶段。

2.5.3国外草莓采收机械

大幅减轻劳动者的强度和减少劳动力的数量，已成为草莓生产经营者的头等大事。国外对草莓采收装备开发目前主要有两类模式：①采收辅助装备，避免劳动者的弯腰采摘，减轻长时间作业的疲劳。美国PBZ LLC公司开发了一款草莓采摘助手(图26a)，采摘者趴在机器上，其额头、腹部和腿均放在支撑板上，其面部和手完全自由，可以在机器前行时观察草莓行并完成采摘。采摘者可以通过脚踏板控制车速。该机可以同时带6箱草莓，采摘者无需每箱采满放置行边再来收集搬运[74]。同类型结构多行的采摘助手也已经投入应用(图26b)。②全自主的草莓采摘机器人研发，得到了科研单位、草莓生产者和相关组织、企业的普遍关注。针对大田多垄多行的草莓采摘机器人研发在美国及部分欧洲国家受到了重视。Harvest CROO Robotics公司开发了多行草莓采摘机器人(图27a)，可同时完成十几行草莓的采收，基于GPS导航，由相机的旋转获得草莓冠层的立体图像，进而由手爪完成采摘。但目前其采净率偏低、速度也大大低于人工，仍难以满足实际生产需求[75-77]。西班牙Agrobot公司和美国大型农场主合作，已推出了SW 6010草莓采摘机器人样机(图27b)，能够适应传统的高垄。该机应用超声导航，具有多只机械手爪同时作业，应用了AGvision机器视觉系统实现草莓果实的实时识别定位和采摘标准判定，果实采后被放在输送带上送至包装区，完成即刻的分拣和包装[78-79]。

主要应用于设施环境的小型草莓采摘机器人研发在日本发展很快，在欧洲、美国也得到了开展。NAOSHI等[80-81]开发了基于高架栽培模式的草莓采摘机器人，该机器人在完成果实识别与成熟度计算后，进行了果实切割点定位即果梗信息提取定位，并通过气吸式草莓釆摘机械手完成采摘动作。HAYASHI等[82]设计了基于视觉系统的草莓采摘机器人并进行了温室实地试验，通过视觉系统获取草莓三维信息并评判果实品质等级，该机器人单个草莓采摘耗时11.5 s。日本国家农业与食品研究组织(NARO)针对高架栽培开发的草莓采摘机器人样机(图28a)，作业速度达到9 s采摘1个，能采到约60%的草莓果实，其由双相机获得果实的立体图像并完成颜色测量和成熟度判断[83]。Shibuya Seiki公司研发了新一代草莓采摘机器人(图28b)，该机器人是日本国家农业与食品研究组织(NARO)所研发草莓采摘机器人的商业版，通过三维立体摄像系统捕捉草莓的颜色来最终确定是否成熟，然后通过机械臂剪切后装进框中，整个剪切过程只需要8 s[84-85]。宇都宫大学针对日本草莓出口的无损、保鲜需要，开发了一款水培草莓采摘机器人(图28c)，可识别定位成熟草莓并剪断果梗和夹持果梗放入胶囊容器，来实现安全无损的保鲜移送[86]。

在加州草莓协会资助下开发的垄栽草莓采摘机器人(图29a)，使用了立体相机实现草莓果实的识别定位和成熟度判别，并用三指夹持草莓完成采摘。但试验也发现枝叶的遮挡使果实难以被发现和被采到，草莓果实易伤，同时目前机器人成本仍然过高[87]。比利时Octinion公司针对高架草莓开发了Rubion采摘机器人(图29b)，通过激光检测成熟草莓果实并从下向上完成采摘[88]，可以实现高架草莓的采摘、同步分级入箱，理论上可以在16 h完成11 500个草莓果实的采摘。挪威生命科学大学与Noronn公司基于Saga Robotics公司开发的Thorvald多功能平台(图29c)[89]，推出了草莓采摘机器人概念机，搭载5关节机械臂和RGB-D相机，并开发了缆索驱动的包裹切割式末端执行器，也采用从下向上的动作方式。无接触地吸入果实并剪断果梗，田间试验的采摘成功率超过50%，平均效率达10.6 s采摘1个。该单位也开发了直角坐标机械臂替代5关节机械臂的草莓采摘机器人，并完成了田间试验[90]。

2.6 草莓田间转运机械

田间的果箱转运，特别是大田块大规模种植生产中，是一个劳动量极大的环节。美国GK设备公司开发的大型草莓果箱转运机(图30a)，采用遥控操作方式，可沿垄沟行走，可完成多果箱的田间搬运，适合于高垄的规模化采收辅助作业[91]。在日本，Japan Research Institute, Ltd.开发了My Donkey多功能农业机器人(图30b)，实现草莓承接、转运和产量测定，该机器人可以检测高垄并实现自动沿垄的防撞行走，并检测使用者从而实现自动随同的配合作业[92]。同时，ANJOM等[93]使用机械灰箱模型在线预测果箱运输请求时间，以改进草莓采摘援助的调度转运效率。

3 我国草莓生产机械化发展分析

3.1 草莓生产机械化的现实基础

(1)经营规模偏小：我国的草莓总产量高居世界首位，但经营规模偏小，除少量连片万亩种植基地以外，种植主体仍为家庭散户。草莓经营规模以0.13～0.33 hm2为主，规模化种植较少。大量散户的分布零散、小规模种植，对草莓作业机械的成本和利用率提出了更高要求。

(2)鲜食比例大：发达国家的加工用草莓产量占比较高，如北美70%的草莓用于鲜食，而30%用于加工草莓酱、草莓汁等饮料、食品。而尽管我国也有少数加工型草莓专用品种和栽培技术的研究，但草莓种植主要面向鲜食市场。鲜食、加工型用果的品种、特性、栽培、管理均存在极大的差异，对机械化作业的应用提出了不同的要求。

(3)栽培模式和技术水平多样：我国地域辽阔、露地栽培、保护地栽培和拱棚、塑料大棚、日光温室、智能温室的栽培方式多样，高垄、高架等栽培模式众多且规格不一，给机械化作业带来了极大挑战。同时，种植标准化、水肥一体化、环境的物联智能控制、熊蜂授粉等技术逐步获得了应用，但各地区和不同种植户主体之间的技术水平差异较大。

3.2 草莓生产机械化发展目标

针对鲜食草莓的特点、栽培管理要求和我国以较小规模的设施栽培为主的生产方式，以及生产中农艺差异大、标准化欠缺的现状，目前我国草莓生产作业装备的发展目标，应立足于强化“农艺-草莓特性-作业原理”基础研究，进而通过智能化技术手段的赋能，实现满足我国草莓生产作业的小型化、模块化、全电化、轻简化装备的需要。

(1)小型低成本：我国草莓种植普遍以各类日光温室、塑料大棚为主，入门窄、肩高低、垄行间距小、单体规模小，适宜大力发展小型化、非乘坐式作业机型，进而有效降低装备成本，从而适应我国散户经营的需求和保证其产业化前景。

(2)一机多能：由于草莓长达半年以上的长季节种植和多茬管理作业特点，特别针对较小规模经营的需要，基于高垄或高架行进的通用底盘和统一接口，开发各类作业模块，实现多种作业部件的模块化更换挂接，“一机多能”满足长种植期内多轮次频繁更换部件管理作业的需要。

(3)绿色电动化：针对设施栽培的半封闭环境和草莓种植绿色无污染的要求，同时根据设施栽培的电力补充便捷性和避免风雨、暴晒、大温差等苛刻环境条件的优势，以及机身传动简化小型化和低负载的需要和优势，需大力发展易控和无尾气排放的全电动作业设备。

(4)轻简智能化：温室大棚狭小空间和高架、高垄的狭窄通道，使小型化草莓管理作业装备难以应用传统的驾驶操控方式，根据技术成熟度和生产实际需要，以架间、垄上无人作业和一端遥控调头、中途便捷补苗补药补粉等极少量人工介入有机结合，实现最少劳力、最低强度的轻简操控作业。

3.3 草莓生产装备与技术发展展望

3.3.1与农艺的深度融合

农艺-农机融合已成为我国农业机械科研和农机化工程的主题，在广义上，与农业经营模式、宜机化改造、栽培模式、栽培管理规范、品种-株型等的全方位深度融合，将有望推动草莓生产机械化实快速发展：

(1)与经营模式深度融合：经营体制决定生产规模，规模化带来标准化和农机装备的高利用率和产投比，成为发展的客观要求，我国专业合作社的快速发展将带来新的契机。同时，传统经营方式正快速被电商化运营以及直播带货等生产-销售零距离的新型模式所取代(图31)，既为草莓种植的机械化带来了契机，也对作业精准化、绿色生态化等提出了更高的要求。

(2)与宜机化改造深度融合：宜机化已成为推进农业生产全面机械化的重点突破口[94]，农业农村部出台的《关于加快推进设施种植机械化发展的意见》明确提出，制修订温室建造标准，明确满足农机作业条件的空间结构、出入口、内部通道等尺寸；加快老旧种植设施的宜机化改造，依照农机通行和室内作业条件，改造出入口、骨架、室内通道等，以满足机械通行作业需求[95]。设施的宜机化改造与设施内农机装备的创新设计相辅相成，将成为推动草莓等设施种植机械化的引擎。

(3)与栽培模式深度融合：草莓的种植模式在我国呈现多样化，平地畦栽已日渐被高垄栽培所代替，而高架栽培、箱式栽培、立柱栽培、管道栽培等均得到了发展。今后对于草莓种植模式的选择，除了清洁、高产以外，将更加侧重优质化和宜机化。如草莓的高架栽培，将把高架设施建造标准化、架间道路硬化和离地无土栽培的草莓甜度、口感等品控紧密结合，从而实现低耗、绿色、高效的目标。

(4)与栽培管理规范深度融合：草莓种植管理的环节众多、周期长，其全程机械化的实施与栽培管理的农艺方式和前、中、后的配套紧密相关。草莓种植管理全面机械化的实现，必须从新的视角出发，将机械化方案的设计与栽培管理农艺改革深度融合，以移栽为例，大力发展扦插育苗的机械化定向技术或新的机械化优质育苗技术方案，进一步通过广泛的田间试验验证“先栽后灌”的生产效果和确定“先栽后灌”的具体农艺处理。该类针对草莓的农艺-农机配套技术有望成为草莓种植重大推广技术。

(5)与品种-株型深度融合：草莓苗的移栽、梳果打叶、授粉、收获等机械化作业过程中，其损伤、脱落、腐烂等的发生均取决于直接的力学作用效应或其后的持续老化、劣变等生理过程。因此，开展基于草莓植株及不同器官的力学特性、耐损生理的草莓品种培育研究，具有重要的创新意义和生产价值。而气助施药、授粉的低量、低损和高效，则在草莓阔叶喜平特征下，与草莓的株型特征与培育、草莓叶片的药液亲水附着性等紧密相关，值得进一步深入研究。

3.3.2信息化

信息化已贯穿于农业生产的各个方面，未来的现代化草莓生产也必将基于信息化-机械化的全面融合而呈现全新的农业面貌。信息化解决生产、运输、销售直至消费端信息的获取、反馈、分析处理、决策和全程的信息管理，机械化则实现面向消费端的全程绿色、高效、无损作业：

(1)无人化的自主监测作业：无人化农业、无人化农场已成为热点和农业现代化发展的目标，而无人化农业实现的基本要素是信息化与无人化机械装备的全面互联互通。草莓无人化生产温室，将基于多传感物联的土壤肥力、作物长势、病虫害、生长期等监测和花、果、病虫害部位的精准识别定位，实现全程无人干预的自主灌溉施肥、精准施药、授粉、采收、转运、包装等作业。

(2)品质的全程动态溯源：面向农产品安全的溯源已逐步展开，但现有溯源偏于种植中有限静态信息的呈现。草莓的可靠溯源是其电商和直播带货的品质信任度保证，不仅需要品种、土质、水质、气候等条件信息，更需要机械化管理作业全程的有机肥与化学肥料的投入、病虫害的发生与物理防治/生态防治/化学防治方式、采收/运输/包装的处理与化学/生态保鲜方式等动态、量化信息，甚至各环节视频的呈现。品质的全程动态溯源依赖于信息化与机械化技术的深度共融。

3.3.3休闲化

当前，各种农业新业态正在全国各地大力快速发展，其中“旅游+”农业新业态已成为各地农业的亮点，都市休闲农业新业态正成为我国农业的庞大蓝海产业。各类草莓采摘园和以游客采摘体验为主的休闲农业模式广泛出现，成为其业态的主要形式。

但是，尽管各地呈现极高的草莓采摘体验发展热度，但目前的发展也存在诸多局限：

(1)仍以采摘的传统农事体验为主，盈利则以采摘计费为主，三产深度融合不足，与现代化农业生产脱节，业态发展水平和效益水平受限。

(2)采摘体验感受不佳，采摘业态模式雷同，陷入低水平竞争，缺乏草莓采摘智慧化装备与技术的支持。

国内外陆续开展了草莓采摘机器人的研究，但均侧重自主作业的功能实现，而与游客的采摘参与体验差距较大。

智慧农业的迅猛发展正成为现代农业的主旋律，智慧与资本两种要素相结合引领中国正进入“智本农业时代”，泛人工智能技术更有望推动农业进入一个完全崭新的时代。打破单一面向生产作业的局限，将机器人技术、跨视觉-语音-云计算-云服务的泛人工智能技术等与休闲农业发展深度融合，推动草莓园互动导览机器人、智慧驾乘草莓采摘车、语音操控采摘机器人等智慧沉浸体验技术研究，全面提升游客的参与度、互动性，提高游客的停留周期和消费意愿，扩展休闲服务内容和消费模式，将使“旅游+”农业新业态从目前较低水平实现跨越式提升。